完整的芯片安装在印刷电路板上。图片来源：Pita-Vidal、Wesdorp 等人。

量子计算机是利用量子力学原理的计算设备，在某些复杂的优化和处理任务上可以胜过经典计算。在量子计算机中，经典的信息单位（比特）可以具有值 1 或 0，被量子比特或量子比特所取代，量子比特或量子比特可以同时混合为 0 和 1。

到目前为止，量子比特已经使用各种物理系统实现，从电子到光子和离子。近年来，一些量子物理学家一直在试验一种新型的量子比特，称为安德烈耶夫自旋量子比特。这些量子比特利用超导和半导体材料的特性来存储和操纵量子信息。

由Marta Pita-Vidal和Jaap J. Wesdorp领导的代尔夫特理工大学的一个研究小组最近证明了两个遥远的安德烈耶夫自旋量子比特之间的强可调耦合。他们的论文发表在《自然物理学》上，可以为有效实现远距离自旋之间的双量子比特门铺平道路。

“最近的工作基本上是我们去年发表在《自然物理学》上的工作的延续，”该论文的通讯作者克里斯蒂安·克拉格伦德·安德森告诉 Phys.org。“在这项早期的研究中，我们研究了一种称为安德烈耶夫自旋量子比特的新型量子比特，耶鲁大学的研究人员之前也证明了这一点。

安德烈耶夫自旋量子比特同时利用了超导量子比特和半导体量子比特的有利特性。这些量子比特本质上是通过将量子点嵌入超导量子比特而创建的。

“随着新量子比特的建立，下一个自然问题是我们是否可以耦合其中两个，”Andersen说。“2010年发表的一篇理论论文提出了一种耦合两个这样的量子比特的方法，我们的实验是第一个在现实世界中实现这一提议的实验。

设备上的放大。在左侧，显示一个超导量子比特（红色）耦合到读出和控制线。两个安德烈耶夫自旋量子比特位于小虚线框中。右边是两个安德烈耶夫自旋位于两个超导环中的零件的放大图。图片来源：Pita-Vidal、Wesdorp 等人。

作为研究的一部分，安德森和他的同事们首先制造了一个超导电路。随后，他们使用精确控制的针在该电路顶部沉积了两根半导体纳米线。

“我们设计电路的方式，纳米线和超导电路的结合创造了两个超导回路，”Andersen解释说。“这些环路的特殊之处在于，每个环路的一部分是半导体量子点。在量子点中，我们可以捕获一个电子。很酷的是，在环路周围流动的电流现在将取决于被俘电子的自旋。这种效应很有趣，因为它使我们能够通过一次旋转来控制数十亿个库珀对的超电流。

研究人员实现的两个耦合超导环路的组合电流最终取决于两个量子点的自旋。这也意味着两个自旋通过这种超电流耦合。值得注意的是，这种耦合也可以很容易地控制，既可以通过流经环路的磁场，也可以通过调制栅极电压。

“我们证明了我们真的可以使用超导体在'长'距离上耦合自旋，”安德森说。“通常，自旋-自旋耦合只发生在两个电子非常接近时。当将基于半导体的量子比特平台与基于超导量子比特的量子比特平台进行比较时，这种邻近性要求是半导体的架构缺点之一。

众所周知，超导量子比特体积庞大，因此在设备内占用了大量空间。Andersen和他的同事们引入的新方法允许量子计算机的设计具有更大的灵活性，通过实现量子比特的长距离耦合并将它们更紧密地打包在一起。

最近的这项研究可能很快为高性能量子计算设备的开发开辟了新的可能性。在他们的下一个研究中，研究人员计划将他们提出的方法扩展到更多的量子比特。

“我们有充分的理由认为，我们的方法可以为多个自旋量子比特的耦合提供重大的架构进步，”Andersen补充道。“然而，也存在实验挑战。目前的相干时间不是很好，我们预计我们使用的半导体（InAs）的核自旋浴是罪魁祸首。因此，我们希望转向更清洁的平台，例如基于锗的平台，以提高相干时间。

更多信息：Marta Pita-Vidal 等人，两个遥远的超导自旋量子比特之间的强可调谐耦合，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02497-x

期刊信息： Nature Physics